JP2018019671A - 液体移動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンジポンプにおいて、吸上げ／注入する液体の液量精度に影響を及ぼす。【解決手段】シリンジ６１のピストン６３を上下動させることで液体を吸上げ又は吐出する液体移動装置にであって、フランジ引上げ部５４を上下に移動可能に支持し、当該フランジ引上げ部５４を介して前記ピストン６３のフランジ部６３ａを下方側から引上げることで前記ピストン６３を作動させる第一のモータ５２と、フランジ押込み部５５を上下に移動可能に支持し、当該フランジ押込み部５５を介して前記ピストン６３のフランジ部６３ａを上方側から押込むことで前記ピストン６３を作動させる第二のモータ５３と、前記シリンジ６１のシリンダ６２を固定するシリンダ固定部５６と、機構フレーム５１と、を備える。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、液体移動装置に関するものである。

従来、細胞培養で用いられる液体移動装置としては、液体を吸上げ／注入するシリンジのピストンのフランジを把持してモータで動作させるもの（特許文献１参照。）がある。

図１１は、特許文献１に記載された従来の液体移動装置を示す図である。

図１１において、基台１上に設けられた下部支持部材１１にシリンジ２のシリンダ３をセットし、上部支持部材１２によってこれを固定する一方で、ピストン５のフランジ部５ａを押圧部材６にセットする。

押圧部材６は、可動ブロック１７に固定されており、可動ブロック１７がモータ１６の動作によって前進／後退することで、当該可動ブロック１７とともに前進／後退する。これによって、押圧部材６は、セットしたピストン５をシリンダ３に対して押込む／引上げるように動作するため、液体の吸上げ／注入が実現する。

特公平６−３４８２５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、押圧部材６に対してピストン５のフランジ部５ａを取付け／取外し可能にするため、フランジ部５ａとこれを挟み込んでいる部分には必ず隙間が生ずる。この結果、当該隙間が吸上げ／注入する液体の液量精度に影響を及ぼすという課題を有している。

例えば、ピストン５を押込んだ状態から５０ｍｍ引上げると３ｍｌの液量が吸上げられるシリンジを使用し、液を吸上げた後、注入する場合、ピストン５のフランジ部５ａと押圧部材６がこれを挟み込んでいる部分との間（５ａと６ａの間）に０．１ｍｍの隙間が生じているとすれば、計算上、注入する液量には、３ｍｌ÷５０ｍｍ×０．１ｍｍ＝０．００６ｍｌ（６μｌ）の誤差が生じる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、特に細胞培養装置に好適に用いられ、ピストンのフランジ部とこれを挟み込んでいる部分との間に存在する隙間に起因する誤差を解消し、高い液量精度で液体の吸上げ／注入を行うことを可能とした、液体移動装置を提供することを目的とする。

前述した課題を解決する主たる本発明は、シリンジのピストンを上下動させることで液体を吸上げ又は吐出する細胞培養装置であって、フランジ引上げ部を上下に移動可能に支持し、当該フランジ引上げ部を介して前記ピストンのフランジ部を下方側から引上げることで前記ピストンを作動させる第一のモータと、フランジ押込み部を上下に移動可能に支持し、当該フランジ押込み部を介して前記ピストンのフランジ部を上方側から押込むことで前記ピストンを作動させる第二のモータと、前記シリンジのシリンダを固定するシリンダ固定部と、前記第一のモータ、前記第二のモータ及び前記シリンダ固定部を支持する機構フレームと、を備えた液体移動装置である。

この液体移動装置においては、液体吸上げ時には、第二のモータを吸上げようとする液量に相当するストローク量、吸上げられる方向に動作した後、第一のモータも液体を吸上げる方向に、フランジ引上げ部がフランジ部に押し当たって停止するまで動作させる。又、液体注入時には、第一のモータを注入しようとする液量に相当するストローク量、注入する方向に動作した後、第二のモータも液体が注入される方向に、フランジ押込み部がフランジに押し当たって停止するまで動作させる。

以上のように、本発明の細胞培養装置に備えられた液体移動装置によれば、液体吸上げ／注入時にフランジ部とフランジ引上げ部、及びフランジ部とフランジ押込み部の間の隙間をなくすことができるため、高い精度で液体の吸上げ／注入を行うことが可能となる。

本発明の実施の形態における液体移動装置の正面図 本発明の実施の形態における液体移動装置の側面図 シリンジとモータの位置関係を示す図 シリンジ固定部の爪が開状態を示す図 シリンジ固定部の爪の閉によりシリンダが固定された状態を示す図 ピストンをシリンダ内で押込んだ状態を示す図 ピストンがシリンダ内で先端まで押し込まれ、かつ、フランジ部をフランジ引上げ部とフランジ押込み部が隙間無く挟み込んだ状態を示す図 吸上げようとする液量に相当するストローク量、第二のモータをシリンダ先端反対側に動作させた状態を示す図 フランジ引上げ部がフランジ部と接触し、フランジ押込み部とフランジ部を隙間無く挟み込んで、第一のモータが停止した状態を示す図 注入しようとする液量に相当するストローク量、第一のモータをシリンダ先端側に動作させた状態を示す図 フランジ押込み部がフランジ部と接触し、フランジ引上げ部とフランジ部を隙間無く挟み込んで、第二のモータが停止した状態を示す図 シリンダ内の液体を全て吐出した状態を示す図 従来の液体吸上げ／注入機構の構造を示す図

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１Ａは、本発明の実施の形態における細胞培養装置に備えられた液体移動装置の正面図、図１Ｂは、その側面図である。

細胞培養装置は、液体移動装置として、第一のモータ５２、第二のモータ５３、シリンジ６１、フランジ引上げ部５４、フランジ押込み部５５、シリンダ固定部５６、機構フレーム５１を備えている。

機構フレーム５１は、シリンジ６１（シリンジ固定部５６）、第一のモータ５２、第二のモータ５３を支持するベース部材であって、これらを固定する。

シリンジ６１は、シリンダ６２、当該シリンダ６２内を作動するピストン６３を備えている。又、シリンジ６１のピストン６３には、上端に、フランジ部６３ａが設けられている。そして、ピストン６３は、当該フランジ部６３ａに対して、フランジ引上げ部５４又はフランジ押込み部５５を介して動力が伝達されて上下に作動する。

第一のモータ５２は、フランジ引上げ部５４を上下に移動可能に支持し、当該フランジ引上げ部５４を介して、ピストン６３のフランジ部６３ａを下方側から引上げるようにピストン６３を作動させる。

第二のモータ５３は、フランジ押込み部５５を上下に移動可能に支持し、当該フランジ押込み部５５を介して、ピストン６３のフランジ部６３ａを上方側から押込むようにピストン６３を作動させる。

尚、第一のモータ５２及び第二のモータ５３は、例えば、リニアモータであって、外部に設けられた制御装置（図示せず）によって駆動電力が供給されて駆動する。

ここで、フランジ引上げ部５４は、上面に平坦面を有する。そして、フランジ引上げ部５４が第一のモータ５２により移動させられた際には、フランジ引上げ部５４の上面が、ピストン６３のフランジ部６３ａの下面と密着するように当接する。

又、フランジ押込み部５５は、下面に平坦面を有する。そして、フランジ押込み部５５が第二のモータ５３により移動させられた際には、フランジ押込み部５５の下面が、ピストン６３のフランジ部６３ａの上面と密着するように当接する。

機構フレーム５１は、例えば、Ｌ字状の外形を呈する。機構フレーム５１は、例えば、交線が上下方向に沿うように、互いに直交する第１の面５１ａと第２の面５１ｂが形成されるように配設されている。

図１Ａにおいて、機構フレーム５１には、一方の第１の面５１ａに、第一のモータ５２が取り付けられ、第１の面５１ａと９０度の角度を成すもう一方の第２の面５１ｂに、第二のモータ５３が取り付けられている。

第一のモータ５２、第二のモータ５３は、従来例を説明した図１１にも示されるような、ねじ軸を用いて回転動作を直線動作に変えるモータでも構成することは可能であるが、永久磁石と電磁コイルを用いているリニアモータの方が、薄型化が可能であり、液体移動装置本体を小型化できるため、好ましい。

また、シリンジ６１は、シリンダ６２を固定するシリンダ固定部５６を介して、機構フレーム５１に取り付けられている。本実施形態では、シリンダ固定部５６は、第二のモータ５３と同じ第２の面５１ｂに取り付けられている。尚、シリンダ固定部５６は、第一のモータ５２と同じ第１の面５１ａに取り付けることも可能である。

この液体移動装置で、以下の順でシリンジ６１の装着、液体の吸上げ／注入、残液の吐出、シリンジ６１の取外しを行う。

まず、シリンジ６１の装着は以下の順で実行される。

シリンジ６１を機構フレーム５１に装着する際には、フランジ部６３ａの上下面が、フランジ押込み部５５の下面とフランジ引上げ部５４の上面との間に配設されるようにする。この際、まず、フランジ引上げ部５４の上面とフランジ押込み部５５下面の間隔が、フランジ部６３ａの幅以上となるように第一のモータ５２及び第二のモータ５３を動作させる。

より望ましくは、図２に示すように、シリンジ６１の装着を容易にするために、フランジ引上げ部５４を下限５２Ｄの位置に移動させ、フランジ押込み部５５を上限５３Ｕの位置に移動するように、第一のモータ５２及び第二のモータ５３を動作させる。

シリンジ６１を機構フレーム５１に対して位置決めした後に、シリンダ固定部５６でシリンダ６２を固定する（図３Ａ、図３Ｂ）。一般的にシリンダ６２は先端と反対側の端に円形の幅をもったつば６２ａを有している。本形態ではシリンダ６２のつば６２ａを、左右から溝を設けた爪５６ａ、５６ｂで閉じることで、当該爪５６ａ、５６ｂの溝につば６２ａを挿入し挟みこむ。これによって、シリンダ６２は、シリンダ固定部５６に固定され、シリンジ６１が装着される。

シリンジ６１による液体の吸上げは、以下の順で実行される。

まず、第二のモータ５３を動作させて、フランジ押込み部５５をシリンダ６２の先端側に向けて移動させる。この時、フランジ押込み部５５の下面が、フランジ部６３ａの上面と接触し、フランジ部６３ａを押すことによって、ピストン６３がシリンダ６２内で先端まで押し込まれた状態で停止する（図４）。

次に、第一のモータ５２を動作させて、フランジ引上げ部５４をシリンダ６２の先端と反対側に向けて移動させる（図５）。この時、フランジ引上げ部５４の上面が、フランジ部６３ａの下面と接触し、フランジ部６３ａを引き上げることによって、ピストン６３が引き上げられる。

但し、図５において、第一のモータ５２によってフランジ引上げ部５４をシリンダ６２の先端と反対側に向けて移動させる際には、第二のモータ５３からフランジ押込み部５５にトルクを作用させた状態で行う。例えば、フランジ引上げ部５４を移動させる際には、第二のモータ５３からフランジ押込み部５５に静止トルクを作用させた状態で行う。そして、このとき、第一のモータ５２がフランジ引上げ部５４に作用させるトルク量［Ｎ・ｍ］は、第二のモータ５３がフランジ押込み部５５に作用させるトルク量［Ｎ・ｍ］よりも小さくなるように設定するのが望ましい。これによって、ピストン６３がシリンダ６２内を先端まで押し込まれ、かつ、フランジ部６３ａをフランジ引上げ部５４とフランジ押込み部５５が隙間無く挟み込んだ状態となる。

この状態でシリンダ６２の先端を吸上げようとする液体７１に浸し、まず、第二のモータ５３によって、吸上げようとする液量に相当するストローク量だけ、シリンダ６２の先端と反対側にフランジ押込み部５５を移動させる（図６）。

その後に、第一のモータ５２の動作によって、フランジ引上げ部５４をシリンダ６２の先端と反対側に移動させる（図７）。そして、フランジ引上げ部５４が、フランジ部６３ａに押し当たって停止するまで移動させる。第一のモータ５２の動作により、フランジ引上げ部５４がフランジ部６３ａ、ならびにピストン６３を引上げ、液体がシリンダ６２内に吸上げられる。

但し、図７において、第一のモータ５２によってフランジ引上げ部５４をシリンダ６２の先端と反対側に移動させる際には、第二のモータ５３からフランジ押込み部５５にトルクを作用させた状態で行う。例えば、フランジ引上げ部５４を移動させる際には、第二のモータ５３からフランジ押込み部５５に静止トルクを作用させた状態で行う。そして、このとき、第一のモータ５２がフランジ引上げ部５４に作用させるトルク量［Ｎ・ｍ］は、第二のモータ５３がフランジ押込み部５５に作用させるトルク量［Ｎ・ｍ］よりも小さくなるように設定するのが望ましい。そうすることで、フランジ引上げ部５４は、フランジ押込み部５５に押されたフランジ部６３ａと接触した状態で停止する。

これによって、フランジ引上げ部５４とフランジ押込み部５５は、フランジ部６３ａを隙間無く挟み込んだ状態となり、従来例の課題である隙間に起因する液量の誤差を解消し、高い精度で液体を吸上げることができる。

シリンジ６１による液体の注入は、以下の順で実行される。

吸上げた液体を注入する場合、第一のモータ５２を動作させて、フランジ引上げ部５４を注入しようとする液量に相当するストローク量、シリンダ６２の先端側に移動させる（図８）。

その後に、第二のモータ５３の動作によって、フランジ押込み部５５をシリンダ６２の先端側に移動させる（図９）。そして、フランジ押込み部５５が、フランジ部６３ａに押し当たって停止するまで移動させる。第二のモータ５３の当該動作により、フランジ押込み部５５がフランジ部６３ａ、ならびにピストン６３を押下げ、液体が注入される。

但し、図９において、第二のモータ５３によってフランジ押込み部５５をシリンダ６２の先端側に移動させる際には、第一のモータ５２からフランジ引上げ部５４にトルクを作用させた状態で行う。例えば、フランジ押込み部５５を移動させる際には、第一のモータ５２からフランジ引上げ部５４に静止トルクを作用させた状態で行う。そして、このとき、第二のモータ５３がフランジ押込み部５５に作用させるトルク量［Ｎ・ｍ］は、第一のモータ５２がフランジ引上げ部５４に作用させるトルク量［Ｎ・ｍ］よりも小さくなるように設定するのが望ましい。そうすることで、フランジ押込み部５５は、フランジ引上げ部５４に下支えされたフランジ部６３ａと接触した状態で停止する。

これによって、フランジ引上げ部５４とフランジ押込み部５５は、フランジ部６３ａを隙間無く挟み込んだ状態となり、従来例の課題である隙間に起因する液量の誤差を解消し、高い精度で液体を注入することができる。

所望の注入が終わり、シリンダ６２内に残った残液の吐出は、以下の順で実行される。

シリンダ６２内の液体を全て吐出する際は、第一のモータ５２の励磁を切り、第二のモータ５３をシリンダ６２の先端に向けてトルク制御で動作させる。ピストン６３がシリンダ６２内で先端まで押し込まれた状態となったところで、第二のモータ５３は停止するが、シリンダ６２内の液体を全て吐出した状態とすることができる（図１０）。

最後にシリンジ６１は、以下の順で取外される。

シリンジ６１を取外す場合、第一のモータ５２、第二のモータ５３の位置は、フランジの引上げ部５４と押込み部５５の間隔がフランジ部６３ａの幅以上であれば、シリンジ６１の取外は可能であるが、取外しを容易にするために、フランジ引上げ部５４を下限５２Ｄで、フランジ押込み部５５を上限５３Ｕで位置決めすることが好ましい。これは、装着時と同じである。

これと同時に、シリンダ固定部５６で固定していたシリンダ６２の固定を解く。シリンダ６２のつば６２ａを挟み込んでいた爪５６ａ、５６ｂを開くことでシリンダの固定が解かれ、取外しが可能な状態となる。

ここで述べた液体移動装置を備えた細胞培養装置は、培地交換と呼ばれる工程に用いることができる。

細胞はディッシュやウェルプレートなどの培養容器に培養液である培地を満たした状態で培養されるが、培地は一定期間での入替が必要であり、培地交換は培養容器中の古い培地を吸上げ、廃棄し、新しい培地を注入する工程である。

本発明である液体移動装置を備えた細胞培養装置で培地交換は、以下の順で実施することができる。

まず、液体移動装置にシリンジ６１を装着し、装着後、シリンジ６１の先端が培養容器の培地に浸かる様に液体移動装置を移動させ、培地を吸上げる。ディッシュやウェルプレートは、推奨される注入液量が定められており、予め注入されている液量は判っているため、これを吸上げる液量とする。

吸上げ完了後は、液体移動装置を培養容器から移動させ、ピストン６３をシリンダ６２内で押込み、全て吐出した状態で吸上げた培地を廃棄する。その後、液体移動装置からシリンジ６１を取外す。

次に、新しいシリンジ６１を液体移動装置に装着する。シリンジ６１の交換を行うのは、コンタミネーションの防止が目的である。

新しいシリンジ６１を装着した後、シリンジ６１の先端が新しい培地に浸かる様に液体移動装置を移動させ、培地を吸上げる。上に述べたように、ディッシュやウェルプレートは、推奨される注入液量が定められており、注入する液量は判っているため、これ以上の液量を吸上げ液量とする。

新しい培地の吸上げ後、培養容器に新しい培地が注入される様に液体移動装置を移動させ、上述の液量、注入する。

余った培地は、液体移動装置を培養容器から移動させ、ピストン６３をシリンダ６２内で押込み、全て吐出して廃棄し、その後、液体移動装置からシリンジ６１を取外す。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本発明の細胞培養装置が備える液体移動装置は、液体吸上げ／注入時にフランジとフランジ引上げ部もしくは押込み部の間の隙間をなくすことができるため、従来例の課題である隙間に起因する液量の誤差を解消し、液体の吸上げ／注入について高い精度を有し、細胞培養工程自動化の用途にも適用できる。

５１ 機構フレーム
５２ 第一のモータ
５２Ｄ 第一のモータの下限端
５３ 第二のモータ
５３Ｕ 第二のモータの上限端
５４ フランジ引上げ部
５５ フランジ押込み部
５６ シリンダ固定部
５６ａ シリンダ固定部左側爪
５６ｂ シリンダ固定部右側爪
６１ シリンジ
６２ シリンダ
６２ａ シリンダつば
６３ ピストン
６３ａ フランジ部
７１ 吸上げようとする液体
７２ 注入した液体

Claims (7)

1. シリンジのピストンを上下動させることで液体を吸上げ又は吐出する液体移動装置であって、
   フランジ引上げ部を上下に移動可能に支持し、当該フランジ引上げ部を介して前記ピストンのフランジ部を下方側から引上げることで前記ピストンを作動させる第一のモータと、
   フランジ押込み部を上下に移動可能に支持し、当該フランジ押込み部を介して前記ピストンのフランジ部を上方側から押込むことで前記ピストンを作動させる第二のモータと、
   前記シリンジのシリンダを固定するシリンダ固定部と、
   前記第一のモータ、前記第二のモータ及び前記シリンダ固定部を支持する機構フレームと、
   を備えた液体移動装置。
2. 前記第一のモータは、前記シリンジによって液体を吸上げる際には、
   前記ピストンのフランジ部の上面と前記フランジ押込み部の下面及び前記ピストンのフランジ部の下面と前記フランジ引上げ部の上面がともに当接した状態になるまで、前記フランジ引上げ部を上方に移動させる
   請求項１に記載の液体移動装置。
3. 前記第一のモータは、前記シリンジによって液体を吸上げる際には、
   前記第二のモータが前記フランジ押込み部に作用させるトルク量よりも小さいトルク量で、前記フランジ引上げ部を上方に移動させる
   請求項２に記載の液体移動装置。
4. 前記第一のモータは、前記シリンジによって液体を吸上げる際には、
   前記第二のモータが、前記ピストンが前記シリンダ内で先端まで押し込まれるまで、前記フランジ押込み部を前記シリンダの先端に向けて移動させた後に、前記フランジ引上げ部を上方に移動させるとともに、
   前記第二のモータが、吸上げようとする液量に相当するストローク量だけ前記フランジ押込み部を前記シリンダの先端と反対に向けて移動させた後に、前記フランジ引上げ部を上方に移動させる
   請求項２に記載の液体移動装置。
5. 前記第二のモータは、前記シリンジによって液体を吐出する際には、
   前記ピストンのフランジ部の上面と前記フランジ押込み部の下面及び前記ピストンのフランジ部の下面と前記フランジ引上げ部の上面がともに当接した状態になるまで、前記フランジ押込み部を下方に移動させる
   請求項１に記載の液体移動装置。
6. 前記第二のモータは、前記シリンジによって液体を吐出する際には、
   前記第一のモータが前記フランジ引上げ部に作用させるトルク量よりも小さいトルク量で、前記フランジ押込み部を下方に移動させる
   請求項５に記載の液体移動装置。
7. 前記第二のモータは、前記シリンジによって液体を吐出する際には、
   前記フランジ押込み部を前記シリンダの先端に向けて移動させて、前記ピストンが前記シリンダ内で先端まで押し込まれた状態になるまで、前記フランジ押込み部を下方に移動させる
   請求項５に記載の液体移動装置。

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